Foundations for Guided-Wave Optics pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Chen, Chin-Lin

出品人:

页数:462

译者:

出版时间:2006-11

价格:1204.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9780471756873

丛书系列:

图书标签:

光波导
引导波光学
光学
光纤
电磁波
微波光子学
集成光学
光通信
光学器件
波动光学

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具体描述

A classroom-tested introduction to integrated and fiber optics This text offers an in-depth treatment of integrated and fiber optics, providing graduate students, engineers, and scientists with a solid foundation of the principles, capabilities, uses, and limitations of guided-wave optic devices and systems. In addition to the transmission properties of dielectric waveguides and optical fibers, this book covers the principles of directional couplers, guided-wave gratings, arrayed-waveguide gratings, and fiber optic polarization components. The material is fully classroom-tested and carefully structured to help readers grasp concepts quickly and apply their knowledge to solving problems. Following an overview, including important nomenclature and notations, the text investigates three major topics: Integrated optics Fiber optics Pulse evolution and broadening in optical waveguides Each chapter starts with basic principles and gradually builds to more advanced concepts and applications. Compelling reasons for including each topic are given, detailed explanations of each concept are provided, and steps for each derivation are carefully set forth. Readers learn how to solve complex problems using physical concepts and simplified mathematics. Illustrations throughout the text aid in understanding key concepts, while problems at the end of each chapter test the readers' grasp of the material. The author has designed the text for upper-level undergraduates, graduate students in physics and electrical and computer engineering, and scientists. Each chapter is self-contained, enabling instructors to choose a subset of topics to match their particular course needs. Researchers and practitioners can also use the text as a self-study guide to gain a better understanding of photonic and fiber optic devices and systems.

光学导引波基础 (Foundations for Guided-Wave Optics) 这是一本深入探讨光在光波导结构中传播机理的专业教材。本书旨在为光学、电子工程、物理学以及相关领域的研究人员和学生提供一个全面、严谨且实用的理论框架，以理解和设计基于导引波的光学系统。本书的结构严谨，内容涵盖了从基础的麦克斯韦方程组在导波结构中的应用，到复杂波导的模式分析、损耗机制、耦合理论以及实际器件的设计与优化。我们力求在理论深度与工程实践之间取得完美的平衡，确保读者不仅能掌握核心概念，更能将其应用于解决实际工程问题。 --- 第一部分：导引波光学基础与理论模型本部分奠定了整个课程的理论基石，重点在于将电磁波理论应用于特定几何约束下的光传播问题。第一章：导引波光学的基本概念与麦克斯韦方程组本章首先回顾了经典电磁场理论中的麦克斯韦方程组，并着重讨论了在无源、各向同性介质中求解电磁波方程的方法。随后，我们将焦点转移到导引波结构上，引入了光波导的定义、基本组成（核心、包层、包层材料）以及关键参数，如有效折射率、截止波长和数值孔径（NA）。我们详细分析了在不同光场约束条件下，波导的几何尺寸如何决定光场的空间分布和传播特性。第二章：平面波导与均匀介质中的模式分析这是理解导波特性的起点。本章深入探讨了最简单的结构——无限大平面波导（Slab Waveguides）。我们采用分离变量法求解二维亥姆霍兹方程，导出了TE（横电）和TM（横磁）模式的本征方程。通过对这些方程的详细分析，读者将掌握全内反射（TIR）在波导中形成约束场的物理机制。我们区分了束缚态模式（Bound Modes）（即导模）与辐射态模式（Radiant Modes），并给出了束缚模式的有效折射率与波导厚度之间的关系图谱（V-参数分析）。此外，本章还引入了有效折射率法（Effective Index Method, EIM），作为从二维平面波导过渡到三维结构分析的桥梁。第三章：圆波导（光纤）的模式理论本章将理论扩展到实际应用中最常见的圆柱形波导，即光学纤维。我们将重点研究弱导引（Weakly Guiding Approximation）下的赫里奥特-高斯（HE）和横电磁（T E M）模式。通过Bessel函数和修正Bessel函数的解，我们详细推导了主导模（$mathrm{LP}_{01}$ 模）的场分布和有效折射率公式。随后，我们分析了高阶模式的存在条件、模式场直径（MFD）的定义，并解释了模场分布与光纤的数值孔径和V数之间的内在联系。本章也探讨了单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF）的设计准则，确保只有主导模得以有效传输。第四章：模式的特性、损耗与色散理解模式如何传播是设计的基础。本章专注于描述模式在传输过程中的行为。我们详细分析了模式的相位常数与群速度，并由此推导出群速度色散（GVD）的概念。色散的计算被分解为材料色散和波导色散两部分，并展示了如何通过调整波导结构（如零色散波长移动）来优化光纤性能。在损耗分析方面，本章全面覆盖了辐射损耗（由弯曲或扰动引起）和吸收散射损耗（如瑞利散射、吸收损耗），为实际器件的低损耗设计提供了理论依据。 --- 第二部分：导波器件与耦合理论在掌握了基本模式分析后，本部分将理论应用于实际的集成光学器件和光通信系统中，重点关注能量的传输、耦合与调制。第五章：导波耦合与定向耦合器耦合是实现光开关、滤波器和分束器的核心机制。本章首先从耦合模式理论（Coupled Mode Theory, CMT）的角度，推导了两个或多个紧密耦合波导之间的能量交换方程。我们详细分析了耦合长度的意义，并展示了如何通过控制波导间距和耦合长度来实现定向耦合器（Directional Couplers）的功能，包括理想的50/50分束和全耦合的“开关”行为。此外，本章还探讨了更复杂的耦合结构，如周期性耦合阵列。第六章：光栅结构与布拉格反射器光栅（Grating）是实现频率选择性滤波和反馈（如激光器）的关键元件。本章引入了周期性结构的概念，推导了布拉格耦合方程，解释了为什么只有满足特定相位匹配条件的波长才能被高效反射。我们区分了表面光栅（Surface Gratings）和体积光栅（Volume Gratings），并分析了光栅耦合的效率与调制深度之间的关系。这为设计光纤布拉格光栅（FBG）和集成光子芯片中的分布式反馈（DFB）结构奠定了理论基础。第七章：波导的激发与端面耦合在实际应用中，如何将光束高效地导入和导出波导是不可避免的问题。本章聚焦于端面耦合。我们首先分析了平面波导与高斯输入光束的模式匹配效率，导出了影响耦合效率的关键因素——模场失配。针对圆波导（光纤），我们详细讨论了光纤耦合器的设计，包括使用透镜系统、斜切端面以及锥形结构来最小化箭头效应（Fresnel reflection）和模式不匹配损耗。本章还探讨了光子晶体光纤（PCF）的激发机制，展示了其超越传统折射率导引的独特优势。第八章：非线性导引波光学导论本章将讨论在光强较高时，介质的折射率对光场强度的依赖性，即光学的非线性效应。重点讨论自相位调制（SPM）、克尔效应以及四波混频（FWM）在导波结构中的表现。我们展示了如何利用非线性效应来实现光孤子（Solitons）的产生和传输，以及在光纤放大器中的应用（如拉曼放大）。本章为理解高速光通信和超快光学中的非线性现象提供了必要的导引波背景。 --- 本书的特点：严谨的数学推导：所有核心公式均从基础电磁理论出发，逻辑清晰，便于读者追溯。面向工程的应用：每一个理论概念都紧密结合了实际器件（如光纤、波导滤波器、耦合器）的设计参数和优化目标。广博的覆盖面：从经典的圆波导到现代的周期性结构和非线性效应，为深入研究提供了全面的知识体系。本书适合作为高等院校研究生层次的教材，也可供光电子、光通信和微纳光子学领域的工程师和科研人员作为深入参考。阅读本书需要具备扎实的电磁场与波论基础。